Камфора 2 страница

На наявність далеких кореляцій в спектрах НМВС впливає ряд структурних факторів молекули речовини, що досліджується. Знання цих факторів необхідне для оптимізації експериментів, тому зупинимося на них детальніше. Далекі протон-вуглецеві КССВ через два або три зв’язки можуть мати досить суттєві відмінності, в залежності від структури молекули (Табл. 17).

Таблиця 17. Типові значення (Hz) протон-вуглецевих далеких констант розщеплення

Шлях Шлях Шлях

Розщеплення^{a 2} J ch розщеплення ³ J ch розщеплення ⁴ J ch

H-C-C	(±) <5	H-C-C-C	<5	H-C=C-C=C (±)<1
H-C=C	<10	H-C=C-C	<15^b	H-C-C-C-C^c <5
H-C=C	40-60	H-C=C-C	<5
H-C(О)=C	20-25

^aГетероатоми, такі як O, N і т.д. також можуть бути включеними в шляхи розщеплення замість атомів С.

^bтранс- > цис-, цис- звичайно <10 Гц.

^c у випадку W-конформації

Як бачимо, величини далеких С-Н КССВ можуть розрізнятися майже на порядок. Особливо великою різниця є в ароматичних сполуках. Таким чином, послідовність неможливо оптимізувати одночасно для всіх наявних КССВ. Найчастіше її оптимізують для невеликих КССВ, щоб найбільш повно виявити кореляції для четвертинних атомів вуглецю. Для рутинних досліджень використовують компромісну величину керуючого интервалу D = 60-80 мс.

Для виявлення малих КССВ величину інтервалу D можна збільшити навіть до 200 мс. При використанні ще більш довгих інтервалів вдається детектувати С-Н кореляції через 4 зв’язки, котрі можуть проявлятися у випадках, коли молекула має жорстку конформацію із зигзагоподібним розташуванням атомів (W-взаємодія). Для жорстких молекул величини КССВ через 3 зв’язки інколи можуть бути більшими, ніж КССВ через 2 зв’язки. При цьому для них спостерігається залежність від діедрального кута, схожа на залежність Карплуса. Таким чином, для даних структур можуть з’явитися труднощі в тому, щоб розрізнити кореляції через 2 і 3 зв’язки за допомогою НМВС. Більше того, через те, що на інтенсивності кроспіків впливає декілька факторів, часто на основі спектрів не вдається точно встановити зв’язаність в кістяку молекули, тим більше, що деякі кореляції можуть бути близькими до нуля.

При вимірюванні спектрів НМВС ароматичних сполук також можуть виникати певні ускладнення. Тут у багатьох випадках КССВ через 2 зв’язки сягає 40-50 Гц, а ³ J _НС становлять лише 5-10 Гц. Тому загальновживана величина D мало підходить для кореляцій через 2 хімічних зв’язки. Внаслідок цього в спектрах ароматичних сполук, що виміряні за стандартних умов, коли D настроєна на ^2-3 J _CH = 8 Гц, кореляції через 3 зв’язки мають значно більшу інтенсивність, ніж кореляції через 2 зв’язки. Дуже часто кореляції через 2 зв’язки не проявляються взагалі. Якщо все ж необхідно виявити такі кореляції, слід величину D зменшити в 2-3 рази і записати додатковий варіант спектра з новими параметрами.

8.3. Спільне використання методів HMQC/HMBC для віднесення сигналів ¹³С

Розглянемо, яким чином гетероядерну кореляційну спектроскопію можна використати для повного віднесення сигналів у вуглецевому спектрі нескладної органічної сполуки, що має будову 16.

Перш за все, вимірюються протонний та вуглецевий спектри сполуки. Вони слугуватимуть для позиціювання кроспіків у двовимірних спектрах. Після цього проводять віднесення сигналів у протонному спектрі. Якщо сигнали спостерігаються окремо, то зробити це вдається, базуючись на їхній мультиплетності та положенні в спектрі. У більш складних випадках слід долучити до цього вивчення спектри Н,Н-COSY. Фрагменти протонного та вуглецевого спектрів, що містять сигнали ароматичних протонів та атомів вуглецю, наведено на осях двовимірних спектрів на Рис. 41 та 42. Після віднесення протонних сигналів можна вимірювати та обробляти спектри HMQC та НМВС. Нижче наведено ці спектри для сполуки 16.

7.1

7.2

7.3

7.4

7.5

7.6

7.7

7.8

7.9

8.0

8.1

8.2

8.3

8.4

8.5

Рис. 41. Спектр HMQC сполуки 16. Для збільшення масштабу спектру сигнал метильної групи не показаний.

Рис. 42 Спектр НМВС сполуки 16. У спектрі присутні сигнали домішки - диметилформаміду - при 2,7 та 2,9 м.ч.

Обробка гетероядерних кореляційних спектрів полягає у визначенні координат кроспіків у мільйонних частках. На наведених рисунках всі кореляції для кожного з протонних сигналів містяться на горизонтальних лініях, що можна провести на двовимірному спектрі через відповідний протонний сигнал. В спектрі HMQC кожному протонному сигналу відповідає лише одна кореляція, оскільки кожен протон має зв’язок лише з одним вуглецевим атомом. На відміну від цього, кількість кореляцій, що відповідають кожному з протонних сигналів в спектрі НМВС може бути достатньо великою, залежно від того, скільки вуглецевих атомів відокремлені від протона на 2-3 хімічних зв’язки, але всі вони будуть розташовані на одній горизонталі. Якщо кроспік не знаходиться на жодній з горизонталей, які проведені через центри протонних сигналів, то він відповідає або сигналу домішки, або взаємодії через один хімічний зв’язок. Такі кроспіки слід ігнорувати. При аналізі складних спектрів для виявлення координат всіх кореляцій буває необхідним записати окремо кілька фрагментів двовимірного спектру у потрібному масштабі. Результати такої обробки зручно представляти у вигляді таблиці.

Таблиця 18. Гетероядерні кореляції, знайдені для сполуки 16.

d, м.д.	HMQC	HMBC
12,38	-	148,6; 141,2; 94,6
11,10	-	148,6; 101,0
11,01	-	163,3; 136,0; 126,3; 118,4; 101,0
8,39	145,5	163,3; 148,6; 101,0
7,76	122,0	136,0; 134,2
7,58	134,2	136,0; 126,3; 122,0; 118,4
7,25	123,5; 118,4	136,0; 134,2; 126,3; 123,5; 122,0; 118,4
6,12	94,6	148,6; 141,2
2,18	11,4	148,6; 141,2; 94,6

Дані, що зведені у таку таблицю, аналізувати набагато простіше, ніж ті, що є у самому двовимірному спектрі, хоча, звісно, вони є ідентичними. Відсутність кореляції HMQC для якогось протонного сигналу свідчить про те, що даний протон сполучений не з атомом вуглецю. Таку ситуацію ми бачимо в Табл. 18 для сигналів протонів NH в області 11-12,5 м.ч. Найзручніше проводити віднесення сигналів, якщо зобразити структурну формулу сполуки і послідовно записувати біля магнітних ядер величини хімічних зсувів, що їм відповідають, дістаючи їх з отриманих кореляцій. Перш за все, відносять Н-заміщені атоми вуглецю, оскільки зробити це набагато легше. Для цього використовують спектр HMQC. Після цього починають віднесення четвертинних (незаміщених атомами водню) атомів вуглецю. Найважливіші кореляції НМВС доцільно показувати викривленими стрілками. Починати віднесення слід з сигналів, що відповідають найпростішим структурним фрагментам. Так, базуючись на віднесеному сигналі протона 1-NH можна знайти хімічні зсуви близьких до нього четвертинних атомів С2, С3, С4а, С8а. На початку аналізу отримані у такий спосіб величини хімічних зсувів не слід вважати кінцевими, оскільки треба, щоб знайдені віднесення узгоджувались зі всіма знайденими кореляціями. Результат віднесення для сполуки 16 наведено на Рис. 43. Тут кореляції HMQC не показані, а стрілками позначено лише кореляції НМВС, що послужили основою для віднесення сигналів не зв’язаних з протонами атомів вуглецю.

Рис. 43 Віднесення сигналів та схема найважливіших НМВС-кореляцій для сполуки 16.

Даний результат аналізу гетероядерних кореляцій можна без особливих змін використовувати для публікацій у спеціальній літературі, або будувати на його базі відповідні таблиці, що аналогічні до Табл.18. Часто віднесення сигналів можна перевірити альтернативним методом, наприклад, за допомогою ЯЕО (на Рис. 43 результат експерименту з ЯЕО позначений стрілочкою з підписом “NOE”). При вирішенні задач, що розміщені в другій частині посібника, слід будувати схему кореляцій, приклад якої наведено на Рис. 43.

В даній частині посібника розміщено задачі зі спектроскопії ЯМР, що пропонуються для самостійного розв’язання. Вони включають перш за все задачі на інтерпретацію протонних та вуглецевих спектрів. При їх розв’язанні слід користуватись методичними рекомендаціями та довідковим матеріалом, що наданий у першій частині посібника. Далі наведено задачі на спільне використання одновимірних та двовимірних кореляційних спектрів. Як підходити до розв’язання таких задач стане зрозуміло з двох наведених нижче прикладів. Нарешті, в кінці посібника є задачі підвищеної складності зі спектроскопії ЯМР. Це неадаптовані проблеми, які виникали перед дослідниками в реальній практиці, при проведенні наукових робіт на хімічному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Розв’язання цих задач вимагає глибоких знань з теорії і практики ЯМР, а також базових знань з органічної та неорганічної хімії. Рекомендацій даного посібника може виявитися недостатньо для розв’язку задач підвищеної складності. Тому Вам необхідно буде прочитати додаткову літературу чи навіть оригінальні статті в хімічних журналах, на які є посилання у відповідних розділах. Автори висловлюють щиру подяку за допомогу в підготуванні експериментального матеріалу, що використовувався в цій частині посібника оператору ЯМР спектрометрів фірми „Єнамін” Половинку В., співробітникам фірми Гвоздовській Н. та Ходаковському П., аспірантам кафедри органічної хімії хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка Григоренку О. О. та Михайлюку П. К., студентам хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка Радченку Д., Патрикею С.

Розділ 1. Приклади розв’язування задач

Задача 1.

В результаті хімічного синтезу отримана речовина, яка може мати одну з двох структур, що зображені нижче:

Довести будову сполуки 1 за допомогою спектроскопії ЯМР.

Хід розв’язання задачі.

Перш за все визначимо, які структурні елементи в можливих варіантах сполук, 1А та 1Б, є суттєво відмінними.

Аналіз формул показує, що сполуки А та Б мають однакові спінові системи для сигналів протонів бензольного кільця та різні спінові системи для сигналів решти протонів. У той час, як у сполуці 1А маємо три протони, що входять до 7-членного кільця і утворюють спінову систему АМХ, у молекулі 1Б маємо дві ізольовані спінові системи – АХ для олефінових протонів та ізольований протон Н-3. Отже, визначення будови можна здійснити, якщо розрізнити спінові системи у протонному спектрі сполуки. Але вся відмінність між передбачуваними спектрами сполук 1А та 1Б полягає в наявності далекої спін-спінової взаємодії (⁴J_HH) між сигналами протонів Н-3 та Н-5 сполуки 1А, а відповідне розщеплення може і не проявитися через малу величину відповідної КССВ. Таким чином, якщо розщеплення відповідних сигналів внаслідок такої взаємодії в спектрі проявиться, то будову сполуки можна визначити, базуючись лише на спектрі на ядрах ¹Н. Якщо ж розщеплення не видно, то слід проводити додаткові дослідження. Спектр сполуки на ядрах ¹Н наведено на Рис. 1.

На початку аналізу спектру будемо вважати, що він відповідає сполуці 1А. Якщо ж знайдемо неузгодженість спектральних параметрів з будовою цієї сполуки, то повторимо аналіз, виходячи зі сполуки 1Б.

6.20

	7.80		7.60		7.40		7.20		7.00		6.80		6.60		6.40

Рис. 1. Спектр ¹Н сполуки 1 (розчинник – ДМСО-D₆, робоча частота спектрометра (n_{спектрометра}) складає 400 MHz для протонів). Показана лише інформативна частина спектру. Окрім зображених сигналів, в спектрі міститься також уширений сигнал карбоксильної групи при 12,4 м.ч.

В молекулі 1А міститься один шестичленний та один семичленний цикли. З емпіричних закономірностей залежності величин КССВ від розміру циклів відомо, що в семичленних циклах віцинальні КССВ становлять 10-14 Гц, а в шестичленних – 7-9 Гц. Базуючись на цьому, зробимо віднесення. В найбільш сильному полі знаходиться дублет, компоненти якого мають хімічні зсуви 6,4316 та 6,3922 м.ч. Для знаходження величини КССВ скористуємося формулою

КССВ =(n1-n2)*n_{спектрометра}

Звідси КССВ = (6,432-6,392)_*400 = 15,8 Гц. Отже, даний сигнал відповідає одному з протонів 7-членного циклу Н2 чи Н3 (або одному з олефінових протонів у молекулі 1Б). Якщо вибирати з цих двох протонів, то сигнал слід віднести до Н3, тому що сигнал протона Н2 повинен розташовуватись у більш слабкому полі через зв’язок з гетероциклічним атомом кисню. Його партнера по віцинальній КССВ видно при 7,55 м.ч. (компоненти дублету 7,5303 та 7,5700 м.ч.). Оскільки для даних сигналів не видно розщеплення за рахунок ССВ через 4 зв’язки, то синглет при 7,28 м.ч. слід віднести до протона Н5. Крім названих сигналів, у спектрі спостерігається типова картина спінової системи АВХ протонів бензольного кільця, які можна надійно віднести на підставі наявності далекої ССВ між протонами Н6 та Н8. Отже, віднесення протонних сигналів для сполуки 1А буде таким:

Зі спектру вдається знайти декілька КССВ: ³J_H2-H3 = 15,6 Гц, ³J_H8-H9 = 8,8 Гц та ⁴J_H6-H8 = 2 Гц. Аналогічно можна зробити віднесення сигналів у протонному спектрі, виходячи з припущення, що сполука, яка досліджується, має будову 1Б. Це віднесення показано нижче:

Оскільки типові значення віцинальних КССВ для транс -олефінових протонів лежать в межах 14-20 Гц, а для 7-членних циклів вони не повинні перевищувати 15 Гц, можна сказати, що молекула 1Б краще узгоджується з протонним спектром, ніж молекула 1А, але робити остаточні висновки щодо будови сполуки, базуючись лише на величині віцинальної КССВ в даному випадку некоректно, адже на її величину можуть вплинути наявні в молекулі замісники, і вона може дещо відрізнятися від типових величин, наведених у довідниках. Тому дослідження будови сполуки 1 слід продовжити. Найбільш доцільно виміряти спектр на ядрах ¹³С. Тут у випадку варіанту 1А слід чекати появи у слабкому полі, близько 150 м.ч., сигналів атомів С2 та С9а, а у випадку 1Б в цій області спектру повинні поглинати атоми С2 та С7а. Істотною відмінністю обох варіантів є те, що у першому випадку один з названих атомів вуглецю, а саме С2, зв’язаний безпосередньо з протоном, а в молекулі 1Б обидва вуглецеві атоми з сигналами у слабкому полі не мають безпосереднього зв’язку з протонами. Отже, якщо вдасться віднести сигнали всіх зв’язаних безпосередньо з протонами атомів вуглецю, то задачу ми вирішимо. Нижче, на Рис. 2 наведено вуглецевий спектр синтезованої сполуки.

З вуглецевого спектру видно, що кількість сигналів, а отже і нееквівалентних атомів вуглецю, відповідає кожній з альтернативних варіантів будови. Сигнал в найбільш слабкому полі, при 167,5 м.ч., відповідає атому вуглецю карбоксильної групи. Цей висновок можна зробити, базуючись на кореляційних таблицях, що наведені в першій частині посібника. Сигнали при 154,2 та 154,0 м.ч. у випадку варіанту 1А повинні відповідати атомам С2 та С9а, що зв’язані з атомом кисню. У випадку варіанту 1Б цим сигналам мають відповідати атоми С2 та С7а. Безпосередньо зі спектру, що знятий за умов розв’язки ССВ з протонами (декаплінгу), неможливо встановити, чи зв’язаний якийсь з названих атомів вуглецю безпосередньо з протоном. Відповідь на це питання можна отримати декількома методами. По-перше, можна виміряти спектр на ядрах ¹³С без декаплінгу. У цьому випадку сигнал атому вуглецю С2, якщо реалізується структура 1А, повинен розщепитися у дублет. Крім того, для остаточного вибору між 1А та 1Б можна виміряти спектр DEPT-135. У цьому спектрі не зв’язані з протонами атоми вуглецю не проявляються. Зупинимося на останньому методі, оскільки він є більш наочним і потребує менше часу. На Рис.3 наведено спектр DEPT синтезованої сполуки. Видно, що в спектрі не проявився жоден з сигналів поблизу 154 м.ч., а це означає, що синтезованій сполуці відповідає структурна формула 1Б.

Рис. 2. Спектр ¹³С сполуки 1, знятий в умовах розв’язки ССВ з протонами (розчинник – ДМСО-D₆).

Рис. 3. Спектр DEPT сполуки 1 (розчинник – ДМСО-D₆). Показано лише фрагмент спектру, що містить сигнали ароматичних атомів вуглецю.

Для вирішення задачі, як бачимо, навіть не знадобилося повне віднесення вуглецевих сигналів. Але слід зауважити, що таке просте рішення можливе лише у випадку сполук з відносно нескладною будовою. Дуже часто потрібне повне віднесення сигналів, для чого до аналізу слід долучати двовимірні спектри. На прикладі розв’язку задачі 2 проілюструємо, як провести повне віднесення сигналів за допомогою двовимірних кореляційних спектрів.

Дата добавления: 2015-08-31